Vern og overvåkning av undervanns kraftsystem, Bjørn Bungum, Unitech Power Systems. 20 May 2011 Unitech Power Systems as 1

Transkript

1 Vern og overvåkning av undervanns kraftsystem, Bjørn Bungum, Unitech Power Systems 20 May 2011 Unitech Power Systems as 1

2 Agenda Bakgrunn Vernfilosofi Lange AC kabler Måling og uttesting Kontrollsystem og tidlig feildeteksjon Foto: 20 May Hydro2011 Unitech Power Systems as 2

3 Bakgrunn Forsyning fra land eller topside Typisk long stepout subsea cable Subsea transformator Subsea elektriske system 20 May 2011 Unitech Power Systems as 3 Figur 1

4 Bakgrunn Topside/onshore vernfilosofi (prioritert rekkefølge) 1.Personellsikkerhet 2.Utstyr/ skadebegrensning 3.Selektivitet (for nødsystem vil denne være høyere prioritert) Subsea vernfilosofi 1.Utstyr/ skadebegrensning 2.Selektivitet Personellsikkerhet er ikke et tema Alarmgivning og korrekt tilbakemelding er spesielt viktig 20 May 2011 Unitech Power Systems as 4

5 Bakgrunn Utstyr/ skadebegrensning Høyt prioritert for enkelte deler av utstyret Connectorer er kritisk Stepout kabler er kritisk Intervensjon representer en hovedkostnad ved skade Selektivitet Prioriteten av selektivitet avhengig av systemdesign. Kan bortfall av kraft forårsake utstyrskade? Hvordan er redundansen lagt opp? Vil en trip føre til bortfall av en kritisk funksjon? Er selektivitet nødvendig for å unngå common modes? 20 May 2011 Unitech Power Systems as 5

6 Bakgrunn Korrekt alarmgivning / tilbakemelding er kritisk for å kunne treffe korrekt beslutning fra topside/onshore Lokalisere feilstedet ved tripp Klarer vi koble bort feilbefengte deler? Hvordan vet vi at utstyret er klart til spenningsetting/ oppstart? Hvordan vet vi hva som må trekkes opp ved intervensjon? Forståelige signalnavn VSD feeder: Common HV relay com. Alarm Common HV relay alarm T1 HV relay Fault 50 (Immediate overcurrent trip) T1 HV relay Fault 51 (delayed overcurrent trip) T1 HV relay Fault 27 (undervoltage trip) T1 22KV CB Closed T1 22KV CB Open T1 22KV CB closing-tripping fault T1 22KV CB incoherent status fault T1 22KV CB SF6 Low Pressure (SP1) T1 22KV CB SF6 High Pressure (SP2) T1 22KV CB Tripping by VSD Module (Control A & B) T1 22KV CB Closing available T1 supply available T1 Insulation monitoring alarm T1 HV relay voltage U21 T1 HV relay current I1 T1 HV relay active power T1 HV relay reactive power T1 Insulation monitoring Measure (0-10V) Spring uncharged 20 May 2011 Unitech Power Systems as 6

7 Diagnostikk Gode forutsetninger for diagnostikk Historisk database som støtter diagnostikk - queries - fleksibilitet Korrekt sekvens av eventer - tidssynkronisering -lokalt tidsstempel - hvor kommer tidsstempel fra? - Kommunikasjonsprotokoll må støtte event + tidstempel - Samordning av prosessignal og el. anlegg signal i egen hendelsesliste 20 May 2011 Unitech Power Systems as 7

8 Diagnostikk Process information network, PIN (ethernet) SOE Time Stamp OPC Data Manager Matrikon Tunneller (OPC DA bridge) TCP/IP PI-to-PI interface link (realtime and history data) master History Server TCP/IP Time Stamp FireWall Redundant client / server net A / B Process Control Network, PCN (ethernet) Information Manager History Server TCP/IP PC connectivity server Redundant safety net work Redundant control net A / B (ethernet) DAQ (data acquisition server ESD node F&G node PSD node PQ/TR PDCS node PCS node PCS node PCS node Controller Serial Machine supervision Vern Vern Process Sensors 20 May 2011 Unitech Power Systems as 8

9 Vernløsninger Remote settings? Kompleksitet og levetid kontra mulighet for fjernjustering? Tilgjengelig for multifunksjonsrele HV og MV LV: - tilgjengelig for integrerte startersystem (GemStart, Simocode, INSUM, etc.) Komplekse! - Kompaktbryter(MCCB) med integrert vern : ikke uten videre. - Miniatyrbrytere (MCB) og sikringer: valg av utstyr og uttesting kritisk 20 May 2011 Unitech Power Systems as 9

10 Agenda Bakgrunn Vernfilosofi Uttesting og idriftsettelse 20 May 2011 Unitech Power Systems as 10

11 Vernfilosofi Beskyttelse av subsea step out cable Primær beskyttelse med distansevern FIKS Veileder for funksjonskrav for kraftsystemet i Norge, Statnett krav Kabler: Krav til trepolig utkobling innen 400ms. Transformator: Vindingsfeil og kortslutninger frakobles trepolet og definitivt innen 0.1 sec. Alle kortslutninger og vindingsfeil skal kunne frakobles av to uavhengige vernsystem, så fremt ikke annet er spesifisert for de enkelte enhetene. Anleggspesifikke krav Kan medføre krav om momentan utkobling. Vil forenkle selektivitet mot oppstrøms anlegg. Ride through egenskapene til f.eks VSD er på landanlegg Figur 2 20 May 2011 Unitech Power Systems as 11

12 Vernfilosofi Lang kabel med høy spenning gir store kapasitive bidrag. Hvilke impedanser vil distansevernet se ved feil i anlegget? [ka] Feil i enden av kabel Viser simulering av 3-fase feil i enden av lang kabel. Utført i EMTDC-PSCAD. Målt fra topside. Høy grad av strømforvrengning i 1-2 perioder Store 2.harmoniske komponenter Digitale filtre i vernet rettes mot lavere ordens harmoniske strømmer, analogt filter mot høyere ordenstall. Hvordan påvirkes målingene? Figur 3 [s] Tabell 1 20 May 2011 Unitech Power Systems as 12

13 Vernfilosofi Distansevern Vernet vil se en kraftig forvrengt strøm i begynnelsen av feilforløpet. Usikker impedansberegning i 1-2 perioder (oscillering) Momentan utkobling av sone 1 bør dermed ha god margin med hensyn til rekkevidde. Gjennomføres ved å la sone 1 rekke inn i transformator, men ikke gjennom. Ved å la sone 2 være tidsforsinket så kan denne ha mindre margin med hensyn på rekkevidden mot innkoblingstrømmer. Vil være backup beskyttelse lengre ned i subsea anlegget. Inrush blokkering 2.harmonisk inrush blokkering er ofte brukt i forbindelse med spenningssetting. I dette tilfellet kan det være problematisk å implementere inrush blokkering siden den også kan blokkere utkobling av potensielle feil Enkelte vern har 2.harmonisk blokkering gjeldene hele tiden dersom aktivert, mens andre vern har denne funksjonen kun gjeldene ved innkobling ved hjelp av logisk funksjon. Figur 4 20 May 2011 Unitech Power Systems as 13

14 Vernfilosofi FIKS ( Statnett krav ) Alle kortsluttninger og vindingsfeil skal kunne frakobles av to uavhengige vernsystem Kun ett av de to vernsystemene (primærvernet) må oppfylle krav til frakoblingstider og selektivitet Multifunksjonsvern [ANSI] Backup overstrømsvern, [50] og [51] Termisk vern, [49] Retningsbestemt jordfeil vern (Ser feil i kabel), [67N] Ikke retningsbestemt jordfeilvern, [50N/51N] Under/Overspenning, [27] og [59] Bryterfeilvern, [50BF] Fasebrudd beskyttelse ( negative sequence protection ), [46] Figur 5 20 May 2011 Unitech Power Systems as 14

15 Vernfilosofi Deteksjon av fasebrudd? ( negative sequence protection ), 46 Spenning målt onshore ved fasebrudd i enden av subsea kabelen Strøm målt onshore ved fasebrudd i enden av subsea kabelen. Potensielt vanskelig å detektere fasebrudd/ubalanse ved hjelp av ubalanse beskyttelses funksjonen [46] [kv] [ka] [s] [s] 20 May 2011 Unitech Power Systems as 15

16 Vernfilosofi Differensialbeskyttelse av subsea trafo? Momentan utkobling ved feil Krever doble system for beskyttelse ved intervensjon Økt kompleksitet Figur 8 Figur 9 20 May 2011 Unitech Power Systems as 16

17 Vernfilosofi Beskyttelse av subsea fordeling/samleskinne Beskyttelse av subsea avganger Beskyttelse av subsea hovedforbrukere (motorer/omformere) Diff. vern er primærvern for samleskinne og backup for avgangene (potensielt mye signalkabling) Multifunksjonsvernet er primærvern for avgangen og dekker feil på sekundærsiden av transformator til VSD VSD inneholder også flere beskyttelsesfunksjoner Termisk beskyttelse 49 Overspenning 59 U> Underspenning 27 U< + flere Topside/ onshore distansevern er backupvern på samleskinne og kan potensielt rekke gjennom VSD transformator (avhengig av impedans i trafo og mulighet for innstilling med hensyn på f.eks inrush) Figur May 2011 Unitech Power Systems as 17

18 Vernfilosofi Sikringer Vanskelig å unngå? Robust løsning hvis dimensjonert korrekt Informasjon om innkoblingstrømmer og motorstart er viktig for gode valg av sikringer Sikringsbrudd gir avhengighet av redundans Test! Figur 14 Figur 13 Figur May 2011 Unitech Power Systems as 18

19 Vernfilosofi Kriterier for valg av sikringer, basert på god ingeniør praksis Utdrag av kriterier for am / gg sikringer Den definerte laststrømmen bør ikke overstige 75% av sikringens nominelle strøm am: Sikringens merkestrøm bør være minimum 1.3 x motor nominell start strøm for normal start am: Ved gjentatte starter velges 1 sikringstørrelse over kriteriene ovenfor am: Hvis motor startstrøm og start tid er kjent vil dette koordinatet kunne brukes for å gi et enda bedre sikringsvalg gg: max inrush bør begrenses til 60 % av smeltekurve gg: merkestrøm bør være > 2x merkestrøm til trafo Selektivitet (bør være i overenstemmelse med IEC tabell 113, test krav) gg sikringer >16A, en faktor på 1.6 mellom 2 sikringer i serie gg sikringer <16A, en faktor på 3 mellom 2 sikringer i serie am sikringer, en faktor på 3 mellom 2 sikringer i serie 20 May 2011 Unitech Power Systems as 19

20 Agenda Bakgrunn Vernfilosofi Målinger og Uttesting Eksempler på målinger/ tester: 230VAC/24VDC Power supply inrush måling 24VDC kortslutningsmålinger, spenningsdip ved feil på parallell avgang, ride trough egenskaper Trafo inrush måling (trafo for hjelpekraft) Foto: Hydro 20 May 2011 Unitech Power Systems as 20

21 Målinger og uttesting 230VAC/24VDC Power supply inrush måling Spenningsetting av DC krets gir potensielt store inrush strømmer Parallelle power supply gir overlagring Nominell strøm er 1.4A per power supply (Irms ref. 230V) Måling viser en ipeak på 96A ved 8 power supply i parallell. Tripp av forankoblet vern? Figur 16 96A asymmmetrical peak current Figur 17 Figur May 2011 Unitech Power Systems as 21

22 Målinger og uttesting 24VDC kortslutningsmålinger (nedstrøms power supply) Spenningsdip 24 V DC, Ride trough egenskaper Figur 19 Figur May 2011 Unitech Power Systems as 22

23 Målinger og uttesting 24VDC kortslutningsmålinger (nedstrøms power supply) Kun 1 Power supply i drift (minimum kortslutningsytelse) Hurtig brudd, minimal påvirkning [A] [V] [ms] Figur 21 Figur May 2011 Unitech Power Systems as 23

24 Målinger og uttesting 24VDC kortslutningsmålinger (nedstrøms power supply) Kabelimpedansen som bestemmer strømmen ved feil på forbruker Test feilet, ikke brudd [V] [A] [ms] Figur 23 Figur May 2011 Unitech Power Systems as 24

25 Målinger og uttesting Trafo inrush måling Små og sinte trafoer Må koordineres mot vern og sikringer 20 May 2011 Unitech Power Systems as 25

26 Tidlig feildeteksjon Konvensjonell / utprøvd mønstergjenkjenning Typisk roterende utstyr / vibrasjon Bruker signalbehandling og frekvensanalyse Gjenkjenning av bestemte feilmoduser basert på frekvensinnhold i signalet I noen tilfeller tilsvarende analyse av fasestrøm Minnebasert mønstergjenkjenning Ny teknologi, ikke moden Generisk teknologi Krever treningsdata for å fylle minnet Unormale tilstander eller feil oppdages ved at signalene ikke gjenkjennes Måler graden av gjenkjenning Brukes blant annet innen bilindustri, bildebehandling, brønnteknologi Gruppering av data viktig 20 May 2011 Unitech Power Systems as 26

27 Tidlig feildeteksjon Real time data Database, DB HTM (Pattern Rec) Training script HTM Supervision (inference) mode 20 May 2011 Unitech Power Systems as 27

28 Tidlig feildeteksjon 20 May 2011 Unitech Power Systems as 28

29 Tidlig feildeteksjon 20 May 2011 Unitech Power Systems as 29

30 // Analysis ran on :26:36 1 Main HTM 6 Nodes: node 0 reported 0.0 faults node 1 reported 0.0 faults node 2 reported 8.0 faults node 3 reported 0.0 faults node 4 reported 0.0 faults node 5 reported 0.0 faults // Analysis ran on :28:27 1 Main HTM 6 Nodes: node 0 reported 0.0 faults node 1 reported 0.0 faults node 2 reported 10.0 faults node 3 reported 0.0 faults node 4 reported 0.0 faults node 5 reported 0.0 faults Lagertemp. NDE 12 timers sliding window i analysen Tidlig feildeteksjon // Analysis ran on :10:51 3 Main HTM 6 Nodes: node 0 reported 0.0 faults node 1 reported 0.0 faults node 2 reported faults node 3 reported 0.0 faults node 4 reported 0.0 faults node 5 reported 0.0 faults // Analysis ran on :02:06 5 Main HTM 6 Nodes: node 0 reported 0.0 faults node 1 reported 0.0 faults node 2 reported faults node 3 reported 0.0 faults node 4 reported 0.0 faults node 5 reported 0.0 faults 20 May 2011 Unitech Power Systems as 30

31 Vern og overvåkning av undervanns kraftsystem, Bjørn Bungum, Unitech Power Systems 20 May 2011 Unitech Power Systems as 31